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1、第2章光纤的特性(3)2023/2/23现在学习的是第1页，共66页2.22.2光纤的损耗光纤的损耗损损耗耗吸收损耗吸收损耗散射损耗本征吸收本征吸收杂质离子吸收杂质离子吸收过渡族金属离子OH-紫外吸收红外吸收本征散射及其他本征散射及其他制作缺陷制作缺陷芯-包层界面不理想喇曼散射瑞利散射折射率分布不均匀气泡、条纹、结石布里渊散射与波长四次方成反比与波长四次方成反比2023/2/23现在学习的是第2页，共66页2.2.1光纤的损耗特性n吸收损耗 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。
2、2023/2/23现在学习的是第3页，共66页n1.本征吸收损耗n本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。n(1)紫外吸收损耗n紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。2023/2/23现在学习的是第4页，共66页n(2)红外吸收损耗n红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。n2.杂质吸收损耗n光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。2023/2/23现在学习的是第5页，共66页n3.原子缺陷吸收损耗n通常
3、在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。2023/2/23现在学习的是第6页，共66页n散射损耗n1.线性散射损耗n任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。2023/2/23现在学习的是第7页，共66页n(1)瑞利散射n瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。n对于短波长光纤，损
4、耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。2023/2/23现在学习的是第8页，共66页(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)n在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。2023/2/23现在学习的是第9页，共66页n2.非线性散射损耗n光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。2023/2/23现在学习的是第10页，共66页n弯曲损耗n光
5、纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。2023/2/23现在学习的是第11页，共66页n在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。n微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。2023/2/23现在学习的是第12页，共66页n光纤损耗系数n为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗
6、系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：2023/2/23现在学习的是第13页，共66页n式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W为单位。2023/2/23现在学习的是第14页，共66页光纤损耗的来源光纤损耗的来源(1)(2)水峰2023/2/23现在学习的是第15页，共66页2.3 2.3 光纤色散光纤色散光光纤纤色色散散是是光光纤纤最最重重要要特特性性参参量量之之一一。它它在很大程度上决定了信号传输质量在很大程度上决定了信号传输质量2023/2/23现在学习的是第16页，共66页 2.3.1引言n光纤色散光纤色散：在光纤中传输的光脉冲，受到由
7、光纤的在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、折射率分布、光纤材料光纤材料的色散特性、光纤中的的色散特性、光纤中的模式分模式分布布以及以及光源的光谱宽度光源的光谱宽度等因素决定的等因素决定的“延迟畸变延迟畸变”，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。（1）多模色散多模色散（2）波导色散波导色散（3）材料色散材料色散（4）偏振色散）偏振色散波长色散波长色散2023/2/23现在学习的是第17页，共66页脉冲与脉冲线宽脉冲与脉冲线宽=为光源的线宽为光源的线宽，为脉冲的脉宽为脉冲的脉宽2023/2/23现在学习的是第18页，共66页群延时t2023/2/23现在学
8、习的是第19页，共66页 色散色散色散色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。表示方法不同。如果信号是如果信号是模拟调制模拟调制的，的，色散限制带宽色散限制带宽(Bandwith)；如如果果信信号号是是数数字字脉脉冲冲，色色色色散散散散产产产产生生生生脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽(Pulse broadening)。所以，所以，色散色散通常用通常用3 dB3 dB光带宽光带宽光带宽光带宽f f3dB3dB或脉冲展宽或脉冲展宽表示。表示。用脉冲展宽表示时，用脉冲展宽表示时，光纤光纤色散色散色散色散可以写成可以写成 =(2n+2m+2w)1/2
9、 n 模式色散模式色散；m材料色散材料色散；w 波导色散波导色散 所引起的脉冲展宽的所引起的脉冲展宽的均方根值均方根值。2023/2/23现在学习的是第20页，共66页群速与群延时群速与群延时群速群速 的表示：的表示：群延时：群速群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即行进单位长度所花费的时间，即2023/2/23现在学习的是第21页，共66页光纤内的群延时光纤内的群延时ps/nm2023/2/23现在学习的是第22页，共66页材料色散参量材料色散参量(ps/nm/km)材料色散参量材料色散参量2023/2/23现在学习的是第23页，共66页波导色散波导色散短波长短波长=0.82 m处处
10、材料色散材料色散M=110：波导色散波导色散M=2 ps/nm/km材料色散材料色散：难调整难调整波导色散波导色散：比较容易调整比较容易调整2023/2/23现在学习的是第24页，共66页 偏振模弥散偏振模弥散水水平平偏偏振振基基模模与与垂垂直直偏偏振振基基模模的的群速不同造成的脉冲群速不同造成的脉冲即即 x y2023/2/23现在学习的是第25页，共66页 多模光纤色散多模光纤色散SI光纤的模式色散光纤的模式色散 GRIN(=2)光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为2023/2/23现在学习的是第26页，共66页举例举例n1=1.48,，n2=1.473
11、；L0.3km=0.00472023/2/23现在学习的是第27页，共66页 材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速不同运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速不同导致的脉冲展宽。导致的脉冲展宽。模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同模式运模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同模式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。载，因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模式偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展宽。运载，因不同偏振态光的群
12、速不同导致的脉冲展宽。各种色散导致脉冲展宽的特点各种色散导致脉冲展宽的特点2023/2/23现在学习的是第28页，共66页各种光纤的综合性能和用途各种光纤的综合性能和用途2023/2/23现在学习的是第29页，共66页2.4单模光纤的设计单模光纤的设计n2.4.1引言n多模光纤色散多模光纤色散2023/2/23现在学习的是第30页，共66页单模光纤的色散单模光纤的色散图图2.4.1石英玻璃的材料色散石英玻璃的材料色散DMDW图图2.4.2单模光纤的波导色散单模光纤的波导色散2023/2/23现在学习的是第31页，共66页常规常规SI单模光纤单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)
13、ZMD：零色散点零色散点ZMD1.3 m 0=1.55 m D17ps/nm/km 0.2dB/km 2023/2/23现在学习的是第32页，共66页零色散位移光纤零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)ZMD1.55 m2023/2/23现在学习的是第33页，共66页非零色散位移光纤非零色散位移光纤(Nonzero Dispersion Shifted Fiber)2023/2/23现在学习的是第34页，共66页单模光纤色散比较单模光纤色散比较2023/2/23现在学习的是第35页，共66页2.4.2截止条件截止条件2023/2/23现在学习的是第
14、36页，共66页2.4.3色散特性色散特性2023/2/23现在学习的是第37页，共66页2.5偏振保持光纤简介偏振保持光纤简介n2.5.1引言引言n轴对称单模光纤：两个轴对称单模光纤：两个线偏振线偏振正交模式或两个正交模式或两个圆偏振圆偏振正交模式正交模式n n偏振模色散偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折偏振模色散或双折射色散射色散。偏振态改变偏振态改变 发生偏振色散发生偏振
15、色散n保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤2023/2/23现在学习的是第38页，共66页n n偏振模色散偏振模色散取决于光纤的取决于光纤的双折射双折射，由，由=x-ynxk-nyk得到得到2023/2/23现在学习的是第39页，共66页双折射参量的定义双折射参量的定义 保偏光纤保偏光纤(PMF)传输相位差传输相位差2023/2/23现在学习的是第40页，共66页拍长拍长LB高双折射率高双折射率(HB)保偏光纤保偏光纤:BF10-5低双折射率低双折射率(LB)保偏光纤保偏光纤:BF10-6保偏光纤保偏光纤(PMF)2023/2/23现在学习的是第41页，
16、共66页2.5.2保偏光纤结构类型保偏光纤结构类型(Polarization Maintaining Fiber)2023/2/23现在学习的是第42页，共66页2.5.3高双折色光纤的制作方法高双折色光纤的制作方法n石英管或预制棒研磨法（石英管或预制棒研磨法（MCVD法法:改进的化学改进的化学汽相淀积汽相淀积）n管套棒法管套棒法n光刻腐蚀法光刻腐蚀法n气相腐蚀法气相腐蚀法2023/2/23现在学习的是第43页，共66页通信用光纤大多数是由通信用光纤大多数是由石英玻璃石英玻璃材料组成的。材料组成的。光纤的制造要经历光纤光纤的制造要经历光纤预制棒制备预制棒制备、光纤光纤拉丝拉丝等工艺步骤。等工艺
17、步骤。光纤制作工艺流程概述光纤制作工艺流程概述2023/2/23现在学习的是第44页，共66页预制棒的生产预制棒的生产q主要预制棒生产厂家有康宁、主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯朗讯、阿、阿尔卡特及日本藤仓、古河等尔卡特及日本藤仓、古河等q主要有四种工艺：主要有四种工艺：MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)OVD(Outside Vapor Deposition)VAD(Vapor Axial Deposition)汽相沿轴沉淀汽相沿轴沉淀积法积法 PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积等离子体
18、化学汽相淀积 2023/2/23现在学习的是第45页，共66页q工业界大多采用工业界大多采用MCVDMCVD制作多模光纤。在石英制作多模光纤。在石英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形成多管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变成实心层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制预制棒的棒，即为预制棒，此法很容易控制预制棒的形状及大小。形状及大小。q预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉中预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉中加热抽丝成为光纤加热抽丝成为光纤2023/2/23现在学习的是第46页，共66页q为保护其强度，为保护其强度，避免受潮及污
19、避免受潮及污染，必须在裸染，必须在裸光纤表面镀上光纤表面镀上保护层，整个保护层，整个生产流程须生产流程须45天（预制棒天（预制棒2天）。天）。纤芯纤芯包层包层一次涂覆一次涂覆二次涂覆二次涂覆2023/2/23现在学习的是第47页，共66页该工艺由该工艺由AT&T贝尔实验室于贝尔实验室于1974年开发。年开发。利用利用SiCl4与与GeCl4等气态原料导入旋转石英玻璃等气态原料导入旋转石英玻璃管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进行氧管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进行氧化反应，产生化反应，产生SiO2、GeO2在石英管内壁形成在石英管内壁形成30100层之层积状态而构成光纤之主要成分。
20、层之层积状态而构成光纤之主要成分。若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，可若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，可透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。返回MCVD2023/2/23现在学习的是第48页，共66页SiO2、GeO2SiCl4、GeCl4、O22023/2/23现在学习的是第49页，共66页2023/2/23现在学习的是第50页，共66页2023/2/23现在学习的是第51页，共66页qAlcatel目前已针对目前已针对MCVD进行制程上的更新设计，进行制程上的更新设计，称为称为Advanced Plasma&Vapor De
21、position(APVD法法)。主要不同于。主要不同于MCVD法之处在于气态物质沉法之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专用车床机台来熔合沉积物积之后，利用另外一专用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒，并以石墨感应炉替代原氢氧焰质以构成预制棒，并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。热源进行熔合。2023/2/23现在学习的是第52页，共66页q外部气象沉积法是由康宁公司开发，外部气象沉积法是由康宁公司开发，OVD与与MCVD最大不同在于沉积物质形成于最大不同在于沉积物质形成于由石英、石由石英、石墨或氧化铝材料制成的墨或氧化铝材料制成的“母棒母棒”外表面外表面，意即混，意即混合材料的玻璃蒸气
22、物质透过氢氧焰的直接燃烧，合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的直接燃烧，使气体材料因热分解以形成使气体材料因热分解以形成SiO2、GeO2之多之多孔状物质沉积，经过多层累积后形成预型体。孔状物质沉积，经过多层累积后形成预型体。返回OVD2023/2/23现在学习的是第53页，共66页qOVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向外），外），再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残再将沉积好的预制棒芯棒
23、进行烧结处理，除去残留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒芯棒，芯棒，OVD工艺最新的发展经历从单喷灯沉积工艺最新的发展经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根棒到一台设备一次沉积多根棒2023/2/23现在学习的是第54页，共66页2023/2/23现在学习的是第55页，共66页qVAD工艺是工艺是1977年由日本电报电话公司为避免年由日本电报电话公司为避免与康宁公司的与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工艺。专利的纠纷所发明的连续工艺。VAD工艺的化学反应机理
24、与工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是工艺相同，也是火焰水解。与火焰水解。与OVD工艺不同的是，工艺不同的是，VAD工艺沉积工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。即预制棒连续制造。VAD2023/2/23现在学习的是第56页，共66页q VAD工艺的最新发展由工艺的最新发展由70年代的芯、包同时沉年代的芯、包同时沉积烧结，到积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的两步法，年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到再到90年代的粉
25、尘外包层代替套管制成光纤预年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。制棒。qVAD的重要特点是可以连续生产，适合制造的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。2023/2/23现在学习的是第57页，共66页qPCVD是由是由Philips研究实验室开发类似于研究实验室开发类似于MCVD的一种技的一种技术，术，但不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的但不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。等离子体加热。PCVDPCVD工艺的沉积温度低于工艺的沉积温度低于MCVDMCVD工艺的沉积工艺的沉积温度，因
26、此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管温度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，这样允许在管内沉积数千个薄层，从作快速往复移动，这样允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。精确，可以获得更宽的带宽。PCVD2023/2/23现在学习的是第58页，共66页qPCVDPCVD的沉积效率高，沉积速度快，有利于消除的沉积效率高，沉积速度快，有利于消除SiO2SiO2层沉积层沉
27、积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可以批量生本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。世界领先水平。2023/2/23现在学习的是第59页，共66页qVAD工艺的化学反应机理与工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是工艺相同，也是火焰水解。与火焰水解。与OVD工艺不同的是，工艺不同的是，VAD工艺沉积获工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。得的预制棒
28、的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。q单模光纤以单模光纤以OVD、VAD技术为主；而多模光纤则以技术为主；而多模光纤则以MCVD或或PCVD为主。为主。几种制作工艺的比较几种制作工艺的比较2023/2/23现在学习的是第60页，共66页qPCVD与与MCVD的工艺相似之处是，它们都是在高的工艺相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理，所不同之处是热源和反应机理，PCVD工艺用的热工艺用的热源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反
29、应气体呈带电离子。子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。物形成透明的石英玻璃沉积薄层。2023/2/23现在学习的是第61页，共66页光纤制造技术新工艺光纤制造技术新工艺qSol-gel工艺是工艺是80年代初提出的一种新型的材料制造年代初提出的一种新型的材料制造技术，于技术，于80年代中期开始应用于光纤制造。和传统年代中期开始应用于光纤制造。和传统的制造方法比较，的制造方法比较，Sol-gel工艺有以下的优点：液相工艺有以下的优点：液相反应，可极大改善材料的均匀性；易掺杂，掺
30、杂浓反应，可极大改善材料的均匀性；易掺杂，掺杂浓度高；所得材料纯度高；可精确控制材料的折射率；度高；所得材料纯度高；可精确控制材料的折射率；较低的处理温度。较低的处理温度。2023/2/23现在学习的是第62页，共66页qPOVD（等离子外沉积技术等离子外沉积技术），最初用来制造合成的石英管，），最初用来制造合成的石英管，最近最近Fibercore公司拟将其开发成新一代光纤预制棒制造工艺。该公司拟将其开发成新一代光纤预制棒制造工艺。该工艺以高频等离子体作热源，工艺以高频等离子体作热源，SiCl4等原料在等离子体火焰中高温等原料在等离子体火焰中高温水解，水解颗粒在高温下玻璃化，直接喷在芯棒或耙棒
31、上。和水解，水解颗粒在高温下玻璃化，直接喷在芯棒或耙棒上。和APVD工艺相比，其所采用的原材料为工艺相比，其所采用的原材料为SiCl4而非石英粉；和而非石英粉；和OVD或或VAD相比，它沉积后直接为透明玻璃，无需经过烧结相比，它沉积后直接为透明玻璃，无需经过烧结过程。同时过程。同时POVD工艺除了应用于外包层外，也可用于制工艺除了应用于外包层外，也可用于制造芯棒。从理论上分析，造芯棒。从理论上分析，POVD工艺制造预制棒在成本上要比工艺制造预制棒在成本上要比现有的外包层技术更有潜在的优势。现有的外包层技术更有潜在的优势。2023/2/23现在学习的是第63页，共66页光纤的制造预制棒法光纤的制造预制棒法相相似似折折射射率率分分布布的的直直径径 2cm左左右右，长长1m预预制制棒棒，再再拉拉成成长长度度10km，0.125mm细细直直径径的的光光纤纤。特特点点是是可可制制造造折折射射率率分分布布复复杂杂的光纤。的光纤。2023/2/23现在学习的是第64页，共66页光纤的制造预制棒法光纤的制造预制棒法2023/2/23现在学习的是第65页，共66页2.6弹光效应n弹光效应：由机械应力引起的折射率变化称为弹光弹光效应：由机械应力引起的折射率变化称为弹光效应。效应。2023/2/23现在学习的是第66页，共66页